(57)【要約】【課題】  生成水の排出を良好に保ちながらも、燃料電池の発電性能の低下を防止する。【解決手段】  カソード側セパレータ４０に形成された酸化ガス流路４２と対応するカソード側ガス拡散層２５の表面部分ｆｃの範囲内に、酸化ガス流路４２と対応して同じ方向に直線状に延びる溝部（凹部）２７が設けられている。溝部２７により形成される流路断面は、矩形となっている。溝部２７の幅Ｗ１は、酸化ガス流路４２の幅Ｗ２よりも狭く、溝部２７の深さｄ１は、カソード側ガス拡散層２５の膜厚ｄ２よりも小さい。深さｄ１がカソード側ガス拡散層２５の膜厚ｄ２よりも小さいことから、溝部２７は、カソード側触媒層２３に達することはなく、カソード側ガス拡散層２５の貫通孔とはなり得ない。貫通孔とならないことから、ガス拡散層２４，２５と触媒層２２、２３との間の接触面積が減少することはない。このために、集電性能を低下させることがない。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に触媒層が形成され、前記触媒層の外側にガス拡散層が形成された接合体と、
溝部を備え前記接合体の面と対向することで反応ガス流路を形成するセパレータと
を備える燃料電池において、
前記セパレータの溝部と対応する前記ガス拡散層の表面部分の範囲内に、前記セパレータの溝部よりも幅が狭く深さが前記触媒層に達しない凹部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記凹部は、前記ガス拡散層の面方向において、前記セパレータの溝部の両縁より所定の距離だけ離間した内側に設けられた構成である
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池であって、
前記セパレータの溝部は、直線状に構成され、
前記凹部は、前記セパレータの溝部に対応して直線状に延びる構成である
燃料電池。
【請求項４】
前記電解質膜は、固体高分子膜である請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素とを電気化学的に反応させて直接的に電気エネルギを取り出す電池であり、単セルを単位として発電を行なう。この単セルは、膜電極接合体の両面を、燃料ガス流路及び酸化ガス流路を備えたセパレータで狭持したものである。膜電極接合体は、電解質膜と、この電解質膜の両側に形成される触媒層と、この触媒層の外側に形成されるガス拡散層とから構成される。ここで、電解質膜は、燃料電池のイオン伝導体として機能するものであり、取り扱いの利便等から固体高分子のものが一般的に使用されている。
【０００３】
ところで、燃料電池では、発電の過程で水が生成される。この生成水は良好に排出されないと、電解質膜の含水量が適正に保たれなくなり、燃料電池の性能を低下させることになる。このため、燃料電池では排水性を確保することが重要である。
【０００４】
従来より、燃料電池における排水性を確保する一つの技術として、前記ガス拡散層に、ガス拡散層の膜厚方向に貫通する貫通孔を設けた構成がある（例えば、特許文献１参照）。発電の過程で生成された水は、貫通孔を通って燃料ガス流路及び酸化ガス流路側に排出される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１５１５８５号公報
【０００６】
しかしながら、前記従来の技術では、貫通孔によってガス拡散層を貫通していることから、ガス拡散層と触媒層との間の接触面積が減少する。このため、集電性能が低下し、燃料電池全体の発電性能が低下する虞があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、生成水の排出を良好に保ちながらも、燃料電池の発電性能の低下を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜の両側に触媒層が形成され、前記触媒層の外側にガス拡散層が形成された接合体と、
溝部を備え前記接合体の面と対向することで反応ガス流路を形成するセパレータと
を備える燃料電池において、
前記セパレータの溝部と対応する前記ガス拡散層の表面部分の範囲内に、前記セパレータの溝部よりも幅が狭く深さが前記触媒層に達しない凹部を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記構成の燃料電池によれば、セパレータの溝部と対応するガス拡散層の表面部分の範囲内に凹部を設けたことにより、反応ガスと接触するガス拡散層表面が増えるため、ガス拡散層内に溜まった水や触媒層の近傍に滞っている水が反応ガスの流れにより持ち去られやすくなる。このために、接合体に存在する生成水等の水分を効率的に排出することができる。また、前記凹部は触媒層に達しない深さであることから、ガス拡散層に設けても、ガス拡散層と触媒層との間の接触面積は減少することはない。このために、集電性能を低下させることがないことから、燃料電池全体の発電性能の低下を防止することができる。
【００１０】
さらに、セパレータの溝部と対応するガス拡散層の表面部分の範囲内に、前記凹部を設けたことにより、反応ガスが流れる部分と触媒層間の距離が短くなることから、触媒層へ反応ガスを供給し易くなる。この結果、燃料電池の発電性能を向上することができる。また、セパレータの溝部と対応するガス拡散層の表面部分の範囲内に、凹部は設けられ、しかも凹部の幅はセパレータの溝部の幅よりも狭いことから、燃料電池を製造する場合に、セパレータと接合体との組付けの寸法ズレ（接合体の面方向へのズレ）が生じても、セパレータの溝部でない部分（山部）とガス拡散層との接触面積を確保することができる。このために、電極反応を行なう際の電流通路や燃料電池内の熱を排出させる熱流通路が減少することを防ぐことができることから、発電性能の低下を一層防止することができる。
【００１１】
前記凹部は、前記ガス拡散層の面方向において、前記セパレータの溝部の両縁より所定の距離だけ離間した内側に設けられた構成とすることができる。この構成によれば、前述したセパレータと接合体との組付けの寸法ズレを確実に防止することができ、セパレータの山部とガス拡散層との接触面積を十分に確保することができる。
【００１２】
前記セパレータの溝部は、直線状に構成され、前記凹部は、前記セパレータの溝部に対応して直線状に延びる構成とすることができる。この構成によれば、前記凹部が接合体から排出された水の流路としても機能し、排水性を一層向上させることができる。
【００１３】
前記電解質膜は、固体高分子膜とすることができる。この構成によれば、燃料電池の取り扱いの利便がよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ−１：燃料電池の構成：
Ａ−２：効果：
Ｂ．他の実施形態：
【００１５】
Ａ．実施例：
Ａ−１：燃料電池の構成：
【００１６】
図１は、本発明の一実施例における燃料電池内部の単セル１０の構成を示す斜視図である。図２は、単セル１０の断面を模式的に示す説明図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図１に示す単セル１０を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セル１０は、図１、図２に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）２０を、両側からセパレータ３０、４０によって挟持することによって構成されている。
【００１７】
図２に示すように、ＭＥＡ２０は、固体高分子電解質膜２１の両面（両側）に触媒層２２、２３を形成し、さらに触媒層２２、２３の外側にガス拡散層２４、２５を形成した接合体である。狭義には、固体高分子電解質膜の両側に触媒層を形成した構成をＭＥＡと呼ぶことも多いが、ここでは、固体高分子電解質膜２１の両側に触媒層２２、２３を形成した構成にガス拡散層２４、２５を加えた構成をＭＥＡと呼ぶ。ＭＥＡ２０が、特許請求の範囲で言う「接合体」に該当する。
【００１８】
固体高分子電解質膜２１は、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。触媒層２２、２３は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層であり、アノード（水素極）とカソード（酸素極）の役割を果たす。また、ガス拡散層２４、２５は、ガス拡散性の導電性部材、例えばカーボン繊維からなる糸で製織したカーボンクロス（カーボン繊維織布）によって形成される。このガス拡散層２４、２５についての構成が本発明の要部に対応しており、後に詳しく説明する。
【００１９】
アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０は、緻密質のカーボンプレートにより形成されている。両セパレータ３０、４０には、直線状の溝部が複数形成されている。この溝部によって、ＭＥＡ２０との間に、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、アノード側セパレータ３０とＭＥＡ２０との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する燃料ガス流路３２が形成される。また、カソード側セパレータ４０とＭＥＡ２０との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する酸化ガス流路４２が形成される。
【００２０】
図３は、カソード側ガス拡散層２５とその周辺の断面を拡大して示す説明図である。図示するように、カソード側セパレータ４０に形成された酸化ガス流路４２と対応するカソード側ガス拡散層２５の表面部分ｆｃの範囲内に、酸化ガス流路４２と対応して同じ方向（図面の表裏方向）に直線状に延びる溝部（凹部）２７が設けられている。溝部２７により形成される流路断面（流れ方向に垂直な方向の断面）は、矩形となっている。溝部２７の幅Ｗ１は、酸化ガス流路４２の幅Ｗ２よりも狭く、溝部２７の深さｄ１は、カソード側ガス拡散層２５の膜厚ｄ２よりも小さい。深さｄ１がカソード側ガス拡散層２５の膜厚ｄ２よりも小さいことから、溝部２７は、カソード側触媒層２３に達することはなく、カソード側ガス拡散層２５の貫通孔とはなり得ない。
【００２１】
具体的には、酸化ガス流路４２の幅Ｗ２は０．８［ｍｍ］であるのに対して、溝部２７の幅Ｗ１は０．４［ｍｍ］である。カソード側ガス拡散層２５の膜厚ｄ２は０．２［ｍｍ］であるのに対して、溝部２７の深さｄ１は０．１［ｍｍ］である。
【００２２】
カソード側ガス拡散層２５に形成される溝部２７は、前述したように、酸化ガス流路４２と対応するカソード側ガス拡散層２５の表面部分ｆｃの範囲内に設けられているが、ここでいう「表面部分ｆｃの範囲内」とは、カソード側ガス拡散層２５の表面における、酸化ガス流路４２の両縁４２ａ、４２ｂの間を言う。
【００２３】
本実施例の場合、図示するように、カソード側ガス拡散層２５に形成される溝部２７は、カソード側ガス拡散層２５の表面における、酸化ガス流路４２の両縁４２ａ、４２ｂの間の真ん中に設けられている。すなわち、カソード側ガス拡散層２５の面方向において、酸化ガス流路４２の左側（図示における左側、以下、同じ）の縁４２ａと溝部２７の左側の縁２７ａとの間の距離Ｓ１と、酸化ガス流路４２の右側（図示における右側、以下、同じ）の縁４２ｂと溝部２７の右側の縁２７ｂとの間の距離Ｓ２とが同一の大きさとなるように、溝部２７の配置位置が定められている。この実施例では、距離Ｓ１，Ｓ２は０．２［ｍｍ］である。なお、この配置位置は、本実施例の変形例として、前述した表面部分ｆｃの範囲内であれば他の位置に変更した態様で実施することが可能である。
【００２４】
図４は、この表面部分ｆｃの範囲内において、最も左側に溝部２７が配置された場合の実施態様を示す説明図である。図示するように、溝部２７の左側の縁２７ａと酸化ガス流路４２の左側の縁４２ａとが、カソード側ガス拡散層２５の面方向において一致するように、溝部２７が配置されている。この場合においても、溝部２７は、酸化ガス流路４２と対応するカソード側ガス拡散層２５の表面部分ｆｃの範囲内に設けられていることになり、本発明を構成する。
【００２５】
図５は、この表面部分ｆｃの範囲内において、最も右側に溝部２７が配置された場合の一例を示す説明図である。図示するように、溝部２７の右側の縁２７ｂと酸化ガス流路４２の右側の縁４２ｂとが、カソード側ガス拡散層２５の面方向において一致するように、溝部２７が配置されている。この場合においても、溝部２７は、酸化ガス流路４２と対応するカソード側ガス拡散層２５の表面部分ｆｃの範囲内に設けられていることになり、本発明を構成する。
【００２６】
すなわち、図４に示した構成が、表面部分ｆｃの範囲内において最も左側に溝部２７が配置された場合であり、図５に示した構成が、表面部分ｆｃの範囲内において最も右側に溝部２７が配置された場合であり、本発明は、図４の構成から図５の構成の間、すなわち、図４の構成から溝部２７の配置位置を右側に移動して、図５の構成となるまでの各位置に溝部２７の配置位置を変更した態様とすることができる。換言すれば、カソード側ガス拡散層２５の面方向において、酸化ガス流路４２の左側の縁４２ａと溝部２７の左側の縁２７ａとの間の距離Ｓ１を、０からＷ２−Ｗ１までの大きさとした態様とすることができ、そのときの酸化ガス流路４２の右側の縁４２ｂと溝部２７の右側の縁２７ｂとの間の距離Ｓ２は、Ｗ２−Ｗ１から０までの大きさとなる。
【００２７】
図２に示すように、アノード側ガス拡散層２４にも、カソード側ガス拡散層２５と同様な溝部（凹部）２６が設けられている。すなわち、アノード側セパレータ３０に形成された燃料ガス流路３２と対応するアノード側ガス拡散層２４の表面部分の範囲内に、燃料ガス流路３２と同じ方向（図面の表裏方向）に直線状に延びる溝部（凹部）２６が設けられている。溝部２６の幅Ｗ３は、燃料ガス流路３２の幅Ｗ４よりも狭く、溝部２６の深さｄ３は、アノード側ガス拡散層２４の膜厚ｄ４よりも小さい。深さｄ３がアノード側ガス拡散層２４の膜厚ｄ４よりも小さいことから、溝部２６は、アノード側触媒層２２に達することはなく、アノード側ガス拡散層２４の貫通孔とはなり得ない。ここでいう「燃料ガス流路３２と対応するアノード側ガス拡散層２４の表面部分の範囲内」とは、アノード側ガス拡散層２４の表面における、燃料ガス流路３２の両縁３２ａ、３２ｂの間を言う。
【００２８】
Ａ−２：効果：
図６は、本実施例の燃料電池の作用効果を示す説明図である。図示するように、セパレータ３０，４０のガス流路３２，４２と対応するガス拡散層２４，２５の表面部分の範囲内に溝部２６，２７を設けたことにより、反応ガスと接触するガス拡散層２４，２５表面が増えるため、ガス拡散層２４，２５内に溜まったり触媒層２２、２３の近傍に滞っている水ＷＡが反応ガスの流れにより持ち去られやすくなり、水詰まりを防ぐことができる。この結果、本実施例では、ＭＥＡに存在する生成水等の水分を効率的に排出することができる。なお、ＭＥＡから排出された水分は、溝部２６，２７等を流れて燃料電池外部に排出される。
【００２９】
また、前記溝部２６，２７は触媒層２２、２３に達しない深さであることから、ガス拡散層２４，２５に溝部２６，２７を設けても、ガス拡散層２４，２５と触媒層２２、２３との間の接触面積が減少することはない。このために、集電性能を低下させることがないことから、燃料電池全体の発電性能の低下を防止することができる。さらに、セパレータ３０，４０のガス流路３２，４２と対応するガス拡散層２４，２５の表面部分の範囲内に、前記溝部２６，２７を設けたことにより、反応ガスが流れる部分と触媒層２２、２３間の距離が短くなることから、触媒層２２、２３へ反応ガスを供給し易くなる。この結果、燃料電池の発電性能を向上することができる。
【００３０】
またセパレータ３０，４０のガス流路３２，４２と対応するガス拡散層２４，２５の表面部分の範囲内に、溝部２６，２７は設けられ、しかも溝部２６，２７の幅はガス流路３２，４２の幅よりも狭いことから、燃料電池を製造する場合に、セパレータ３０，４０とＭＥＡとの組付けの寸法ズレ（接合体の面方向へのズレ）が生じても、セパレータ３０，４０の山部とガス拡散層２４，２５との接触面積を確保することができる。このために、電極反応を行なう際の電流通路や燃料電池内の熱を排出させる熱流通路が減少することを防ぐことができることから、発電性能の低下を一層防止することができる。特にこの実施例では、ガス拡散層２４，２５における溝部２６，２７が、ガス拡散層２４，２５の面方向において、ガス流路３２，４２の左側の縁４２ａより所定の距離Ｓ１（＞０）だけ離間し、ガス流路３２，４２の右側の縁４２ｂより所定の距離Ｓ２（＞０）だけ離間した内側に設けられていることから、前述したセパレータ３０，４０とＭＥＡとの組付けの寸法ズレが図中左側、右側いずれの向きであっても、セパレータ３０，４０の山部とガス拡散層２４，２５との接触面積を確実に確保することができる。
【００３１】
また、この実施例では、ガス拡散層２４，２５に形成された溝部２６，２７は、セパレータ３０，４０のガス流路３２，４２と対応して直線状に延びる構成となっていることから、ガス拡散層２４，２５に形成された溝部２６，２７がＭＥＡ２０から排出された水の流路としても機能し、排水性を一層向上させることができる。
【００３２】
Ｂ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施例や変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような他の実施形態も可能である。
【００３３】
（１）上記実施例では、ガス拡散層２４，２５に備えられた溝部２６，２７により形成される流路断面は、矩形となっていたが、これに換えて、三角形とすることもできる。図７は、溝部１２７により形成される流路断面が三角形である実施形態を示す説明図である。図示するように、カソード側セパレータ４０に形成された酸化ガス流路４２と対応するカソード側ガス拡散層２５の表面部分ｆｃの範囲内に、酸化ガス流路４２と対応して同じ方向（図面の表裏方向）に直線状に延びる溝部（凹部）１２７が設けられている。この溝部１２７により形成される流路断面は、三角形となっている。この実施形態は、前記実施例と同様な効果を奏する。
【００３４】
（２）また、上記実施例では、ガス拡散層２４，２５に備えられた溝部（凹部）２６，２７は、直線状に延びる流路となっていたが、これに換えて、ガス拡散層を貫通しない大穴によって形成された凹部としてもよい。図８は、大穴によって形成された凹部２２７を備える実施形態を示す説明図である。図中（ａ）は、ガス拡散層２５とその周辺の断面を示すもので、（ｂ）は、（ａ）の断面において、図中Ａ−Ａ線方向に切断したときの断面を示すものである。図示するように、大穴によって形成された凹部２２７の深さはガス拡散層２５の膜厚よりも小さくガス拡散層２５を貫通していない。大穴は、上部から見て楕円となっており、セパレータ４０に形成された酸化ガス流路４２と対応するガス拡散層２５の表面部分ｆｃの範囲内に収められている。
【００３５】
この凹部２２７は、前記実施例のように直線状に延びる溝形状となってはいないが、ＭＥＡから排出された水は、その凹部２２７に一時的に貯えられ、その後、その水の自重により流れ落ち（図示の（ａ）では横向きになっているが、燃料電池は通常縦向きに置かれるため）、燃料電池外部に排出される。したがって、この実施形態においても、前記実施例と同様に、生成水の排出を良好に保ちながらも、燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。なお、上記凹部２２７は、上部から見て楕円となっていたが、これに換えて正円とすることもできる。
【００３６】
（３）上記実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、固体酸化物型燃料電池やリン酸型燃料電池等、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例における燃料電池内部の単セル１０の構成を示す斜視図である。
【図２】単セル１０の断面を模式的に示す説明図である。
【図３】カソード側ガス拡散層２５とその周辺の断面を拡大して示す説明図である。
【図４】表面部分ｆｃの範囲内において最も左側に溝部２７が配置された場合の実施態様を示す説明図である。
【図５】表面部分ｆｃの範囲内において最も右側に溝部２７が配置された場合の一例を示す説明図である。
【図６】本実施例の燃料電池の作用効果を示す説明図である。
【図７】溝部１２７により形成される流路断面が三角形である実施形態を示す説明図である。
【図８】大穴によって形成された凹部２２７を備える実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０...単セル
２０...膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１...固体高分子電解質膜
２２，２３...触媒層
２４，２５...ガス拡散層
２６，２７...溝部
３０，４０...セパレータ
３２...燃料ガス流路
４２...酸化ガス流路
１２７...溝部
２２７...凹部
【図１】
2007073277.tif 000003
【図２】
2007073277.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007073277.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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